![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •Теория атома водорода по Бору. Модели атома Томсона и Резерфорда. Линейчатый спектр атома водорода. Сериальные формулы. Модели атома Томсона и Резерфорда
- •Линейчатый спектр атома водорода. Сериальные формулы.
- •Постулаты Бора
- •Опыты Франка и Герца
- •Спектр атома водорода по Бору
- •Гипотеза де Бройля и ее экспериментальные подтверждения.
- •Соотношение неопределенностей
- •Волновая функция и ее статистический смысл
- •Понятие о стационарном состоянии. Общее уравнение Шредингера. Уравнение Шредингера для стационарных состояний.
- •Принцип причинности в квинтовой механике
- •Движение свободной частицы
- •Частице в одномерной прямоугольной «потенциальной яме» с бесконечно высокими «стенками». Принцип соответствия. Квантование энергии и импульса частицы.
- •Туннельный эффект.
- •Линейный гармонический осциллятор в квантовой механике. Энергия нулевых колебаний.
- •Атом водорода в квантовой механике
- •Квантовое число.
- •Правила отбора.
- •Спин электрона. Спиновое квантовое число
- •Принцип неразличимости тождественных частиц. Фермионы и бозоны
- •Принцип Паули.
- •Периодическая система элементов Менделеева
- •Энергетические уровни молекул.
- •Спектры атомов и молекул. Комбинационное рассеяние света
- •Поглощение. Спонтанное и вынужденное излучения
- •Принцип работы оптического квантового генератора.
- •Твердотельный лазер.
Атом водорода в квантовой механике
Решение задачи об энергетических уровнях электрона для атома водорода (а также водородоподобных систем: иона гелия Не+, двукратно ионизованного лития Li++ и др.) сводится к задаче о движении электрона в кулоновском поле ядра.
Потенциальная энергия взаимодействия электрона с ядром, обладающим зарядом Ze (для атома водорода Z = 1),
(1)
где r — расстояние между электроном и ядром. Графически функция U(r) изображена жирной кривой на рис. 1. U(r) с уменьшением r (при приближении электрона к ядру) неограниченно убывает.
Состояние электрона в атоме водорода описывается волновой функцией , удовлетворяющей стационарному уравнению Шредингера , учитывающему значение (1):
(2)
где т — масса электрона, Е — полная энергия электрона в атоме. Так как поле, в котором движется электрон, является центрально-симметричным, то для решения уравнения (2) обычно используют сферическую систему координат: r, , . Не вдаваясь в математическое решение этой задачи, ограничимся рассмотрением важнейших результатов, которые из него следуют, пояснив их физический смысл.
1. Энергия. В теории дифференциальных уравнений доказывается, что уравнения типа (2) имеют решения, удовлетворяющие требованиям однозначности, конечности и непрерывности волновой функции , только при собственных значениях энергии
(3)
т
.
е. для дискретного набора отрицательных
значений энергии.
![](/html/2706/809/html_bhLMK0ZFc2.A296/htmlconvd-H1oRdb_html_2e99708122cf41b3.gif)
Рис. 1
Возможные значения Е1, E2, Е3,... показаны на рис. 1 в виде горизонтальных прямых. Самый нижний уровень Е1, отвечающий минимальной возможной энергии, — основной, все остальные (Еn >Е1, n = 2, 3, ...) — возбужденные . При Е<0 движение электрона является связанным — он находится внутри гиперболической «потенциальной ямы». Из рисунка следует, что по мере роста главного квантового числа n энергетические уровни располагаются теснее и при n= E = 0. При Е>0 движение электрона является свободным; область непрерывного спектра Е>0 (заштрихована на рис. 1) соответствует ионизованному атому. Энергия ионизации атома водорода равна
.
Квантовое число.
Квантовые числа.
В квантовой механике доказывается, что
уравнению Шредингера удовлетворяют
собственные функции
,
определяемые тремя квантовыми числами:
главным п, орбитальным l
и магнитным тl.
Главное квантовое число n, определяет энергетические уровни электрона в атоме и может принимать любые целочисленные значения начиная с единицы:
Из решения уравнения Шредингера вытекает, что момент импульса (механический орбитальный момент) электрона квантуется, т. е. не может быть произвольным, а принимает дискретные значения, определяемые формулой
(1)
где l — орбитальное квантовое число, которое при заданном n принимает значения
(2)
т. е. всего n значений, и определяет момент импульса электрона в атоме.
Из решения уравнений Шредингера следует также, что вектор Ll момента импульса электрона может иметь лишь такие ориентации в пространстве, при которых его проекция Llx на направление z внешнего магнитного поля принимает квантованные значения, кратные ћ:
(3)
где тl — магнитное квантовое число, которое при заданном l может принимать значения
(4)
т. е. всего 2l+1 значений. Таким образом, магнитное квантовое число ml определяет проекцию момента импульса электрона на заданное направление, причем вектор момента импульса электрона в атоме может иметь в пространстве 2l+1 ориентации.
Наличие квантового числа ml должно привести в магнитном поле к расщеплению уровня с главным квантовым числом п на 2l+1 подуровней. Соответственно в спектре атома должно наблюдаться расщепление спектральных линий. Действительно, расщепление энергетических уровней в магнитном поле было обнаружено в 1896 г. голландским физиком П. Зееманом (1865—1945) и получило название эффекта Зеемана. Расщепление уровней энергии во внешнем электрическом поле, тоже доказанное экспериментально, называется эффектом Штарка*.
Атом водорода может иметь одно и то же значение энергии, находясь в нескольких различных состояниях. Так как при данном п орбитальное квантовое число l может изменяться от 0 до п–1 , а каждому значению l соответствует 2l+1 различных значений ml (4), то число различных состояний, соответствующих данному п, равно
(5)
Квантовые числа и их значения являются следствием решений уравнений Шредингера и условий однозначности, непрерывности и конечности, налагаемых на волновую функцию . Кроме того, так как при движении электрона в атоме существенны волновые свойства электрона, то квантовая механика вообще отказывается от классического представления об электронных орбитах. Согласно квантовой механике, каждому энергетическому состоянию соответствует волновая функция, квадрат модуля которой определяет вероятность обнаружения электрона в единице объема.
Электрон при своем движении как бы «размазан» по всему объему, образуя электронное облако, плотность (густота) которого характеризует вероятность нахождения электрона в различных точках объема атома. Квантовые числа п и l характеризуют размер и форму электронного облака, а квантовое число ml характеризует ориентацию электронного облака в пространстве.
В атомной физике, по аналогии со спектроскопией, состояние электрона, характеризующееся квантовыми числами l=0, называют s-состоянием (электрон в этом состоянии называют s-электроном), l=1 — p-состоянием, l=2 — d-состоянием, l=3 — f-состоянием и т. д. Значение главного квантового числа указывается перед условным обозначением орбитального квантового числа. Например, электроны в состояниях n=2 и l=0 и 1 обозначаются соответственно символами 2s и 2р.
На рис. 1 для примера
приведено распределение электронной
плотности (формы электронного облака)
для состояний атома водорода при n=1
и п=2, определяемое |
|2.
Как видно из рисунка, оно зависит от n,
l и ml.
Так, при l=0 электронная
плотность отлична от нуля в центре и не
зависит от направления (сферически-симметрична),
а для остальных состояний в центре равна
нулю и зависит от направления.